第一篇：實(shí)驗(yàn) ： X射線衍射分析

X射線衍射分析

一:實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)概括了解X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)及使用。

(2)練習(xí)用PDF(ASTN)卡片以及索引，對(duì)多相物質(zhì)進(jìn)行相分析。二：X射線衍射儀簡(jiǎn)介

近年來，自動(dòng)化衍射儀的使用已日趨普遍。傳統(tǒng)的衍射儀由X射線發(fā)生器、測(cè)角儀、記錄儀等幾部分組成。自動(dòng)化衍射儀是近年才面世的新產(chǎn)品，它采用微計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序的自動(dòng)控制。入射x射線經(jīng)狹縫照射到多晶試樣上，衍射線的單色化可借助于濾波片或單色器。如圖1所示，D／max—rc所附帶的石墨彎晶單色器的反射效率在28.5％以上。衍射線被探測(cè)器(目前使用正比計(jì)數(shù)器)所接受，電脈沖經(jīng)放大后進(jìn)入脈沖高度分析器。操作者在必要時(shí)可利用該設(shè)備自動(dòng)畫出脈沖高度分布曲線，以便正確選擇基線電壓與上限電壓。信號(hào)脈沖可送至數(shù)率儀，并在記錄儀上畫出衍射圖。脈沖亦可送人計(jì)數(shù)器(以往稱為定標(biāo)器)，經(jīng)微處理機(jī)進(jìn)行尋峰、計(jì)算峰積分強(qiáng)度或?qū)挾?、扣除背底等處理，并在屏幕上顯示或通過打印機(jī)將所需的圖形或數(shù)字輸出。D／max—rc衍射儀目前已具有采集衍射資料、處理圖形數(shù)據(jù)、查找管理文件以及自動(dòng)進(jìn)行物相定性分析等功能。

圖1 D／max—rc工作原理方框圖

物相定性分析是X射線衍射分析中最常用的一項(xiàng)測(cè)試。D／max—rc衍射儀可自動(dòng)完成這一過程。首先，儀器按所給定的條件進(jìn)行衍射數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，接著進(jìn)行尋峰處理并自動(dòng)啟動(dòng)檢索程序。此后系統(tǒng)將進(jìn)行自動(dòng)檢索匹配，并將檢索結(jié)果打印輸出。

衍射儀法的優(yōu)點(diǎn)較多：如速度快、強(qiáng)度相對(duì)精確、信息量大、精度高、分析簡(jiǎn)便、試樣制備簡(jiǎn)便等。衍射儀對(duì)衍射線強(qiáng)度的測(cè)量是利用電子計(jì)數(shù)管（electronic counter）直接測(cè)定的。

這里關(guān)鍵要解決的技術(shù)問題是：1.X射線接收裝置--計(jì)數(shù)管；2.衍射強(qiáng)度必須適當(dāng)加大，為此可以使用板狀試樣；3.相同的（hkl）鏡面也是全方向散射的，所以要聚焦；4.計(jì)數(shù)管的移動(dòng)要滿足布拉格條件。這些問題的解決關(guān)鍵是由幾個(gè)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的：1.X射線測(cè)角儀——解決聚焦和測(cè)量角度的問題；2.輻射探測(cè)儀——解決記錄和分析衍射線能量問題。

X射線衍射儀的光學(xué)原理圖如下：

測(cè)角儀是衍射儀的核心部件。(1)樣品臺(tái)S：位于測(cè)角儀中心，可以繞O軸旋轉(zhuǎn)，O軸與臺(tái)面垂直，平板狀試樣C放置于樣品臺(tái)上，要與O軸重合，誤差小于0.1mm；(2)X射線源：X射線源是由X射線管的靶上的線狀焦點(diǎn)F發(fā)出的，F(xiàn)也垂直于紙面，位于以O(shè)為中心的圓周上，與O軸平行；(3)光路布置：發(fā)散的X射線由F發(fā)出，投射到試樣上，衍射線中可以收斂的部分在光闌處形成焦點(diǎn)，然后進(jìn)入技術(shù)管。(4)測(cè)角儀臺(tái)面：狹縫、光闌和計(jì)數(shù)管固定在測(cè)角儀臺(tái)面上，臺(tái)面可以繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng)，角位置可以從刻度盤上讀出。(5)測(cè)量動(dòng)作：樣品臺(tái)和測(cè)角儀臺(tái)可以分別繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以機(jī)械連動(dòng)，機(jī)械連動(dòng)時(shí)樣品臺(tái)轉(zhuǎn)過θ角時(shí)計(jì)數(shù)管轉(zhuǎn)動(dòng)2θ角，這樣設(shè)計(jì)的目的是使X射線在板狀試樣表面的入射角經(jīng)常等于反射角，常稱這一動(dòng)作為θ-2θ連動(dòng)。

X光管產(chǎn)生的特征X射線經(jīng)準(zhǔn)直狹縫以θ角入射到樣品表面，其衍射光線由放在與入射x射線成2θ角的探測(cè)器測(cè)量（強(qiáng)度I）。θ-2θ角可由測(cè)角儀連續(xù)改變（掃描），測(cè)出相應(yīng)I-θ曲線，從而獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。三：操作規(guī)程

由指導(dǎo)老師講解

四：實(shí)驗(yàn)結(jié)果

五：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及報(bào)告要求

(1)由指導(dǎo)教師在現(xiàn)場(chǎng)介紹X射線衍射儀的構(gòu)造，進(jìn)行操作表演，并描畫一兩個(gè)衍射峰。

(2)以2~3人為一組，按事先描繪好的多相物質(zhì)的衍射圖進(jìn)行物相定性分析。(3)記錄所分析的衍射圖的測(cè)試條件，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果以表格形式列出。

六：思考題

(1)利用X射線進(jìn)行物相分析是，對(duì)試樣有什么要求？(2)簡(jiǎn)要說明X射線衍射一的主要功能。

第二篇：X射線衍射分析

X射線衍射分析 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、了解X衍射的基本原理以及粉末X衍射測(cè)試的基本目的；

2、掌握晶體和非晶體、單晶和多晶的區(qū)別；

3、了解使用相關(guān)軟件處理XRD測(cè)試結(jié)果的基本方法。實(shí)驗(yàn)原理

1、晶體化學(xué)基本概念

晶體的基本特點(diǎn)與概念：①質(zhì)點(diǎn)（結(jié)構(gòu)單元）沿三維空間周期性排列（晶體定義），并有對(duì)稱性。②空間點(diǎn)陣：實(shí)際晶體中的幾何點(diǎn)，其所處幾何環(huán)境和物質(zhì)環(huán)境均同，這些“點(diǎn)集”稱空間點(diǎn)陣。③晶體結(jié)構(gòu)=空間點(diǎn)陣+結(jié)構(gòu)單元。非晶部分主要為無定形態(tài)區(qū)域，其內(nèi)部原子不形成排列整齊有規(guī)律的晶格。

對(duì)于大多數(shù)晶體化合物來說，其晶體在冷卻結(jié)晶過程中受環(huán)境應(yīng)力或晶核數(shù)目、成核方式等條件的影響，晶格易發(fā)生畸變。分子鏈段的排列與纏繞受結(jié)晶條件的影響易發(fā)生改變。晶體的形成過程可分為以下幾步：初級(jí)成核、分子鏈段的 圖1 14種Bravais點(diǎn)陣

表面延伸、鏈松弛、鏈的重吸收結(jié)晶、表面成核、分子間成核、晶體生長(zhǎng)、晶體生長(zhǎng)完善。Bravais提出了點(diǎn)陣空間這一概念，將其解釋為點(diǎn)陣中選取能反映空間點(diǎn)陣周期性與對(duì)稱性的單胞，并要求單胞相等棱與角數(shù)最多。滿足上述條件棱間直角最多，同時(shí)體積最小。1848年Bravais證明只有14種點(diǎn)陣。晶體內(nèi)分子的排列方式使晶體具有不同的晶型。通常在結(jié)晶完成后的晶體中，不止含有一種晶型的晶體，因此為多晶化合物。反之，若嚴(yán)格控制結(jié)晶條件可得單一晶型的晶體，則為單晶。

2、X衍射的測(cè)試基本目的與原理

X射線是電磁波,入射晶體時(shí)基于晶體結(jié)構(gòu)的周期性，晶體中各個(gè)電子的散射波可相互干涉。散射波周相一致相互加強(qiáng)的方向稱衍射方向。衍射方向取決于晶體的周期或晶胞的大小,衍射強(qiáng)度是由晶胞中各個(gè)原子及其位置決定的。由倒易點(diǎn)陣概念導(dǎo)入X射線衍射理論, 倒易點(diǎn)落在Ewald 球上是產(chǎn)生衍射必要條件。1912年勞埃等人根據(jù)理論預(yù)見，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了X射線與晶體相遇時(shí)能發(fā)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線具有電磁波的性質(zhì)，成為X射線衍射學(xué)的第一個(gè)里程碑。當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)有相同數(shù)量級(jí)，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這就是X射線衍射的基本原理。衍射線空間方位與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系可用布拉格方程表示：

2dsin??n? 式中d為晶面間距；n為反射級(jí)數(shù)；θ為掠射角；λ為X射線的波長(zhǎng)。布拉格方程是X射線衍射分析的根本依據(jù)。

X 射線衍射(XRD)是所有物質(zhì)，包括從流體、粉末到完整晶體，重要的無損分析工具。對(duì)材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)、環(huán)境、納米材料、生物等領(lǐng)域來說，X射線衍射儀都是物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征，以性能為導(dǎo)向研制與開發(fā)新材料，宏觀表象轉(zhuǎn)移至微觀認(rèn)識(shí),建立新理論和質(zhì)量控制不可缺少的方法。其主要分析對(duì)象包括：物相分析(物相鑒定與定量相分析)。晶體學(xué)（晶粒大小、指標(biāo)化、點(diǎn)參測(cè)定、解結(jié)構(gòu)等）。薄膜分析(薄膜的厚度、密度、表面與界面粗糙度與層序分析，高分辨衍射測(cè)定單晶外延膜結(jié)構(gòu)特征)。織構(gòu)分析、殘余應(yīng)力分析。不同溫度與氣氛條件與壓力下的結(jié)構(gòu)變化的原位動(dòng)態(tài)分析研究。微量樣品和微區(qū)試樣分析。實(shí)驗(yàn)室及過程自動(dòng)化、組合化學(xué)。納米材料等領(lǐng)域。儀器與試劑

儀器型號(hào)及生產(chǎn)廠家：丹東浩元儀器有限公司DX-2700型衍射儀。測(cè)試條件：管電壓40KV；管電流40mA；X光管為銅靶，波長(zhǎng)1.5417?；步長(zhǎng)0.05°，掃描速度0.4s；掃描范圍為20°～80°。試劑：未知樣品A。4 實(shí)驗(yàn)步驟

1、打開電腦主機(jī)電源。

2、開外圍電源：先上撥墻上的兩個(gè)開關(guān)，再開穩(wěn)壓電源（上撥右邊的開關(guān)，標(biāo)有穩(wěn)壓）。

3、打開XRD衍射儀電源開關(guān)（按下綠色按鈕）。

4、開冷卻水：先上撥左邊電源開關(guān)，再按下RUN按鈕，確認(rèn)流量在20左右方可。

5、開高壓（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，停留5s，高壓燈亮）。

6、打開XRD控制軟件XRD Commander。

7、防光管老化操作：按照20KV、5mA；25KV、5mA；30KV、5mA；35KV、5mA；40KV、5mA；40KV、40mA程式分次設(shè)置電壓、電流，每次間隔3分鐘。設(shè)置方法：電壓、電流跳到所需值后點(diǎn)set。

8、設(shè)置測(cè)試條件：設(shè)置掃描角度為3°~80°，步長(zhǎng)0.05°，掃描速度0.4s。

9、點(diǎn)擊Start開始測(cè)試。

10、降高壓：將電壓、電流分別降至20KV，5mA后，點(diǎn)擊Set確認(rèn)。

11、關(guān)高壓：逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，高壓燈滅。

12、等待5min，再關(guān)閉冷卻水，先關(guān)RUN，再關(guān)左邊電源。

13、關(guān)閉控制軟件（XRD Commander）。

14、關(guān)XRD衍射儀電源開關(guān)（按下紅色按鈕）。

15、關(guān)電腦。

16、關(guān)外圍電源。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了一種粉末樣品的XRD圖譜并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行物相檢索，判斷待測(cè)樣品主要成分、晶型及晶胞參數(shù)。粉末樣品的XRD圖譜：

圖2 未編號(hào)粉末樣品X-Ray衍射圖譜 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

數(shù)據(jù)處理：對(duì)圖譜進(jìn)行物相檢索

結(jié)論：經(jīng)過對(duì)樣品譜圖進(jìn)行物相檢索，發(fā)現(xiàn)該粉末樣品中含有兩種晶相，主相為Sr2CaMoO6,另外一種雜相為SrMoO4.7 思考題

1、簡(jiǎn)述X射線衍射分析的特點(diǎn)和應(yīng)用。

答：X射線衍射儀具有易升級(jí)，操作簡(jiǎn)便和高度智能化的特點(diǎn)，靈活地適應(yīng)地礦、生化、理化等多方面、各行業(yè)的測(cè)試分析與研究任務(wù)。X 射線衍射(XRD)是所有物質(zhì)，包括從流體、粉末到完整晶體，重要的無損分析工具。對(duì)材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)、環(huán)境、納米材料、生物等領(lǐng)域來說，X射線衍射儀都是物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征，以性能為導(dǎo)向研制與開發(fā)新材料，宏觀表象轉(zhuǎn)移至微觀認(rèn)識(shí),建立新理論和質(zhì)量控制不可缺少的方法。其主要分析對(duì)象包括：物相分析(物相鑒定與定量相分析)。晶體學(xué)（晶粒大小、指標(biāo)化、點(diǎn)參測(cè)定、解結(jié)構(gòu)等）。薄膜分析(薄膜的厚度、密度、表面與界面粗糙度與層序分析，高分辨衍射測(cè)定單晶外延膜結(jié)構(gòu)特征)?？棙?gòu)分析、殘余應(yīng)力分析。不同溫度與氣氛條件與壓力下的結(jié)構(gòu)變化的原位動(dòng)態(tài)分析研究。微量樣品和微區(qū)試樣分析。實(shí)驗(yàn)室及過程自動(dòng)化、組合化學(xué)。納米材料等領(lǐng)域。

2、簡(jiǎn)述X射線衍射儀的工作原理。

答：用高能電子束轟擊金屬“靶”材產(chǎn)生X射線，X射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子面間的距離相近，當(dāng)一束 X射線通過晶體時(shí)將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱。當(dāng)X射線以掠角θ(入射角的余角)入射到某一點(diǎn)陣晶格間距為d的晶面上時(shí),在符合布拉格方程的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線。當(dāng) X射線波長(zhǎng)λ已知時(shí)(選用固定波長(zhǎng)的特征X射線)，采用細(xì)粉末或細(xì)粒多晶體的線狀樣品,可從一堆任意取向的晶體中，從每一θ角符合布拉格方程條件的反射面得到反射,測(cè)出θ后，利用布拉格方程即可確定點(diǎn)陣晶面間距、晶胞大小和類型。

第三篇：X射線衍射分析思考題

X射線衍射分析思考題

1.X射線學(xué)有幾個(gè)分支?每個(gè)分支的研究對(duì)象是什么? 2.什么叫“相干散射”、“非相干散射”? 3.產(chǎn)生X射線需要什么條件? 4.連續(xù)X射線譜是怎樣產(chǎn)生的?其短波限由什么決定? 5.特征X射線譜是怎樣產(chǎn)生的?為什么特征譜對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)不變? 6.試推導(dǎo)布拉格方程

7.什么是結(jié)構(gòu)因子(結(jié)構(gòu)振幅)? 結(jié)構(gòu)因子表征了什么? 8.寫出面心立方點(diǎn)陣中能產(chǎn)生衍射的前5個(gè)晶面(干涉面).9.物相定性分析的原理是什么? 10.若待測(cè)物質(zhì)中有兩種物相,定性分析時(shí)有哪些步驟? 透射電鏡與高分辨顯微方法思考題

1.電子波長(zhǎng)由什么決定?常用透射電鏡的電子波長(zhǎng)在什么范圍內(nèi)? 2.透射電鏡主要由哪幾部分組成?各部分的主要功能? 3.比較光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的異同點(diǎn)。4.影響透射電子顯微鏡分辨率的因素? 5.球差、像散和色差是怎樣造成的？如何減小這些像差？哪些是可消除的像差？

6.有幾種主要的透射電鏡樣品制備方法？各自的應(yīng)用范圍？雙噴減薄和離子減薄各適用于制備什么樣品？

7.發(fā)生電子衍射產(chǎn)生的充要條件是什么? 8.說明體心立方和面心立方晶體結(jié)構(gòu)的消光規(guī)律，分別寫出兩種結(jié)構(gòu)前10個(gè)衍射晶面。

9.何為質(zhì)厚襯度？說明質(zhì)厚襯度的成像原理。10.試推導(dǎo)電子衍射的基本公式.11.如何利用已知參數(shù)的多晶樣品標(biāo)定透射電鏡有效相機(jī)常數(shù)？

12.說明已知相機(jī)常數(shù)及晶體結(jié)構(gòu)時(shí)單晶衍射花樣標(biāo)定的基本步驟.13.何為明場(chǎng)像？何為暗場(chǎng)像？畫出明場(chǎng)成像和中心暗場(chǎng)成像光路圖。14.何為相位襯度？相位襯度條件下可獲得什么圖像？

15.有幾種常見的高分辨電子顯微像？說明形成不同高分辨像所需的衍射條件

1.電子束與固體樣品相互作用時(shí)能產(chǎn)生哪些信號(hào)？它們有什么特點(diǎn)？各自的產(chǎn)生機(jī)理是什么? 2.入射電子束強(qiáng)度與各激發(fā)信號(hào)強(qiáng)度之間有什么關(guān)系?為什么吸收電子像襯度與二次電子像和背散射電子像襯度相反? 3.掃描電鏡的分辨率與什么因素有關(guān)?為什么不同信號(hào)成像的分辨率不同? 4.與透射電鏡相比,掃描電鏡有什么特點(diǎn)?其主要用途是什么? 5.掃描電鏡的主要性能指標(biāo)有哪些?各代表什么含義? 6.說明掃描電鏡中二次電子像的形貌襯度是怎樣形成的？顆粒尺寸大小對(duì)襯度有何影響？ 7.分別說明波譜儀和能譜儀的工作原理,它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 8.電子探針儀主要有幾種分析方法?各用于進(jìn)行什么檢測(cè)? 9.俄歇電子有什么特點(diǎn)?俄歇電子能譜儀的主要用途? 10.掃描隧道顯微鏡有幾種工作模式？請(qǐng)分別加以說明

第四篇：第一章X射線衍射分析

第一章

1．討論同一物質(zhì)的吸收譜和發(fā)射譜概念中二者之間的關(guān)系：

2．名詞解釋：相干散射、不相干散射、熒光輻射、吸收限、俄歇效應(yīng)。3．X射線的本質(zhì)是什么？ 4．連續(xù)X射線的特點(diǎn)？

5．相干散射和非相干散射的特點(diǎn)？

6．特征X射線譜與連續(xù)譜的發(fā)射機(jī)制之主要區(qū)別何在？

7．試述由布拉格方程與反射定律導(dǎo)出衍射矢量方程的思路。

8．當(dāng)波長(zhǎng)為λ的X射線照射到晶體并出現(xiàn)衍射線時(shí)，相鄰兩個(gè)（hkl）反射線的波程差是多少？相鄰兩個(gè)（HKL）反射線的波程差又上多少？ 9，判別下列哪些晶面屬于[111]晶帶：（110），（231），（231），（211），（101），（133），（112），（132），（011），（212）

10．概念：晶面指數(shù)與晶向指數(shù)、晶帶、干涉面、X射線散射、衍射與反射。11．試述布拉格公式2dHKLsinθ=λ中各參數(shù)的含義，以及該公式有哪些應(yīng)用？

12．當(dāng)X射線在原子上發(fā)射時(shí)，相鄰原子散射線在某個(gè)方向上的波程差若不為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，則此方向上必然不存在反射，為什么？

13．當(dāng)波長(zhǎng)為λ的X射線在晶體上發(fā)生衍射時(shí)，相鄰兩個(gè)（hkl）晶面衍射線的波程差是多少？相鄰兩個(gè)HKL干涉面的波程差又是多少？

第五篇：實(shí)驗(yàn)九 晶體X射線衍射

實(shí)驗(yàn)九 晶體X射線衍射

前言：

1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)法蘭克福大學(xué)的勞厄,以表彰他發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射。勞厄發(fā)現(xiàn) X射線衍射是20世紀(jì)物理學(xué)中的一件有深遠(yuǎn)意義的大事，因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)不僅說明了X射線的認(rèn)識(shí)邁出了關(guān)鍵的一步, 而且還第一次對(duì)晶體的空間點(diǎn)陣假說作出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,使晶體物理學(xué)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。證明原子的真實(shí)性。從此以后, X射線學(xué)在理論和實(shí)驗(yàn)方法上飛速發(fā)展, 形成了一門內(nèi)容極其豐，應(yīng)用極其廣泛的綜合學(xué)科。X射線衍射技術(shù)是利用X射線在晶體.非晶體中衍射與散射效應(yīng)，進(jìn)行物相的定性和定量分析.結(jié)構(gòu)類型和不完整性分析的技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛使用。

由于X射線的波長(zhǎng)位于0.001-10 nm之間，與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元尺寸數(shù)量級(jí)相當(dāng)，因此X射線技術(shù)成為物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的主要分析手段，廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、材料學(xué)、地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.理解晶體的基本概念和XRD的基本原理。2.了解并掌握X-射線衍射儀的結(jié)構(gòu)和使用方法。3.熟悉定性相分析方法。

4.培養(yǎng)學(xué)生獲得一定的獨(dú)立工作能力和科學(xué)研究能力。

實(shí)驗(yàn)儀器：

DX-2500 型衍射儀由丹東方圓儀器有限公司制造，采用多CPU系統(tǒng)完成X射線發(fā)生器.測(cè)角儀控制及數(shù)據(jù)采集，精確地測(cè)定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu).點(diǎn)陣常數(shù).物質(zhì)定性和定量分析，安裝相應(yīng)附件能完成物質(zhì)的織構(gòu).應(yīng)力測(cè)定。1.X射線管

X射線管主要分密閉式和可拆卸式兩種。廣泛使用的是密閉式, 由陰極燈絲、陽極、聚焦罩等組成, 功率大部分在 1～2千瓦?？刹鹦妒絏射線管又稱旋轉(zhuǎn)陽極靶,其功率比密閉式大許多倍, 一般為 12～60千瓦。常用的X射線靶材有 W、Ag、Mo、Ni、Co、Fe、Cr、Cu等。X射線管線焦點(diǎn)為 1×10平方毫米, 取出角為3～6度。

選擇陽極靶的基本要求：盡可能避免靶材產(chǎn)生的特征X射線激發(fā)樣品的熒光輻射，以降低衍射花樣的背底，使圖樣清晰。2.測(cè)角儀

測(cè)角儀是粉末X射線衍射儀的核心部件，主要由索拉光闌、發(fā)散狹縫、接收狹縫、防散射狹縫、樣品座及閃爍探測(cè)器等組成。

1）衍射儀一般利用線焦點(diǎn)作為X射線源S。如果采用焦斑尺寸為1×10平方毫米的常規(guī)X射線管，出射角6°時(shí)，實(shí)際有效焦寬為0.1毫米，成為0.1×10平方毫米的線狀X射線源。

2）從S發(fā)射的X射線，其水平方向的發(fā)散角被第一個(gè)狹縫限制之后，照射試樣。這個(gè)狹縫稱為發(fā)散狹縫(DS)，生產(chǎn)廠供給1/6o、1/2o、1o、2o、4°的發(fā)散狹縫和測(cè)角儀調(diào)整用0．05毫米寬的狹縫。

3）從試樣上衍射的X射線束，在F處聚焦，放在這個(gè)位置的第二個(gè)狹縫，稱為接收狹縫(RS)．生產(chǎn)廠供給0.15毫米、0.3毫米、0.6毫米寬的接收狹縫。

4）第三個(gè)狹縫是防止空氣散射等非試樣散射X射線進(jìn)入計(jì)數(shù)管，稱為防散射狹縫(SS)。SS和DS配對(duì)，生產(chǎn)廠供給與發(fā)散狹縫的發(fā)射角相同的防散射狹縫。

5）S1、S2稱為索拉狹縫，是由一組等間距相互平行的薄金屬片組成，它限制入射X射線和衍射線的垂直方向發(fā)散。索拉狹縫裝在叫做索拉狹縫盒的框架里。這個(gè)框架兼作其他狹縫插座用，即插入DS，RS和SS．

3.X射線探測(cè)記錄裝置

衍射儀中常用的探測(cè)器是閃爍計(jì)數(shù)器(SC)，它是利用X射線能在某些固體物質(zhì)(磷光體)中產(chǎn)生的波長(zhǎng)在可見光范圍內(nèi)的熒光，這種熒光再轉(zhuǎn)換為能夠測(cè)量的電流。由于輸出的電流和計(jì)數(shù)器吸收的x光子能量成正比，因此可以用來測(cè)量衍射線的強(qiáng)度。

閃爍計(jì)數(shù)管的發(fā)光體一般是用微量鉈活化的碘化鈉(NaI)單晶體。這種晶體經(jīng)X射線激發(fā)后發(fā)出藍(lán)紫色的光。將這種微弱的光用光電倍增管來放大．發(fā)光體的藍(lán)紫色光激發(fā)光電倍增管的光電面(光陰極)而發(fā)出光電子(一次電子)。光電倍增管電極由10個(gè)左右的聯(lián)極構(gòu)成，由于一次電子在聯(lián)極表面上激發(fā)二次電子，經(jīng)聯(lián)極放大后電子數(shù)目按幾何級(jí)數(shù)劇增(約106倍)，最后輸出像正比計(jì)數(shù)管那樣高(幾個(gè)毫伏)的脈沖。4.計(jì)算機(jī)控制、處理裝置

衍射儀主要操作都由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)完成，掃描操作完成后，衍射原始數(shù)據(jù)自動(dòng)存入計(jì)算機(jī)硬盤中供數(shù)據(jù)分析處理。數(shù)據(jù)分析處理包括平滑點(diǎn)的選擇.背底扣除.自動(dòng)尋峰.d值計(jì)算，衍射峰強(qiáng)度計(jì)算等。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1.測(cè)量室溫下單晶硅樣品、多晶ZnO粉末樣品和多晶ZnO薄膜樣品的XRD譜

首先熟悉樣品架.樣品臺(tái).X射線管.測(cè)量?jī)x器和軟件。把樣品置于樣品臺(tái)上放好，開啟儀器進(jìn)行測(cè)量。多晶粉末試樣必需滿足這樣兩個(gè)條件：晶粒要細(xì)小，試樣無擇優(yōu)取向(取向排列混亂)。所以，通常將試樣研細(xì)后使用。可用瑪瑙研缽研細(xì)。對(duì)薄膜樣品，要將其剪成合適大小，用膠帶紙粘在支架上即可。2.物相定性分析

X射線衍射物相定性分析方法有以下幾種：

a.三強(qiáng)線法：

（1）從前反射區(qū)（90°～20o）中選取強(qiáng)度最大的三根線，并使其d值按強(qiáng)度遞減的次序排列。

（2）在數(shù)字索引中找到對(duì)應(yīng)的d1(最強(qiáng)線的面間距）組。

（3）按次強(qiáng)線的面間距d2找到接近的幾列。

（4）檢查這幾列數(shù)據(jù)中的第三個(gè)d值是否與待測(cè)樣的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，再查看第四至第八強(qiáng)線數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)照，最后從中找出最可能的物相及其卡片號(hào)。

（5）從檔案中抽出卡片，將實(shí)驗(yàn)所得d及I/I1跟卡片上的數(shù)據(jù)詳細(xì)對(duì)照，如果完全符合，物相鑒定即告完成。

如果待測(cè)樣的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)不符，則須重新排列組合并重復(fù)（2）～（5）的檢索手續(xù)。如為多相物質(zhì)，當(dāng)找出第一物相之后，可將其線條剔出，并將留下線條的強(qiáng)度重新歸一化，再按過程（1）～（5）進(jìn)行檢索，直到得出正確答案。

b.特征峰法：

對(duì)于經(jīng)常使用的樣品，其衍射譜圖應(yīng)該充分了解掌握，可根據(jù)其譜圖特征進(jìn)行初步判斷。例如在26.5度左右有一強(qiáng)峰，在68度左右有五指峰出現(xiàn)，則可初步判定樣品含SiO2。

c.參考文獻(xiàn)資料法：

在國(guó)內(nèi)國(guó)外各種專業(yè)科技文獻(xiàn)上，許多科技工作者都發(fā)表很多X射線衍射譜圖和數(shù)據(jù)，這些譜圖和數(shù)據(jù)可以作為標(biāo)準(zhǔn)和參考供分析測(cè)試時(shí)使用。

d.計(jì)算機(jī)檢索法：

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)檢索得到普遍的應(yīng)用。這種方法可以很快得到分析結(jié)果，分析準(zhǔn)確度在不斷提高。但最后還須經(jīng)認(rèn)真核對(duì)才能最后得出鑒定結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇：

1.實(shí)驗(yàn)原理

英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子把空間點(diǎn)陣?yán)斫鉃榛ハ嗥叫星颐骈g距相等的一組平面點(diǎn)陣(或面網(wǎng))，將晶體對(duì)X射線的衍射視為某些面網(wǎng)對(duì)X射線的選擇性反射。從面網(wǎng)產(chǎn)生反射的條件出發(fā)，得到一組面網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生反射(即衍射)的條件，既布拉格方程。X射線有強(qiáng)的穿透能力，在X射線作用下晶體的散射線來自若干層原子面，除同一層原子面的散射線互相干涉外，各原子面的散射線之間還要互相干涉。這里只討論兩相鄰原子面的散射波的干涉。它們的光程差為2dsinθ。當(dāng)光程差等于波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍時(shí)，相鄰原子面散射波干涉加強(qiáng)，即干涉加強(qiáng)條件為：λ=2dsinθ。

布拉格方程推導(dǎo)示意圖

每一種結(jié)晶物質(zhì)都有各自獨(dú)特的晶胞參數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)。在已知波長(zhǎng)λ的X射線輻射下，X光在物質(zhì)的某晶面上產(chǎn)生衍射，并得到衍射曲線(橫坐標(biāo)為2θ, 單位：度?；縱坐標(biāo)為強(qiáng)度，單位：原子單位a.u.)。

根據(jù)布拉格(W.L.Bragg)方程λ =2dsinθ(θ為衍射角或布拉格角，單位：度)就可以計(jì)算出該物質(zhì)的晶面距離 d值（單位：?）。衍射線的絕對(duì)強(qiáng)度(I)和相對(duì)強(qiáng)度(I/I0 或 I/I1)同時(shí)給出。由于目前的儀器配有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)衍射曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，直接給出d.I值。

沒有任何兩種物質(zhì)，它們的晶胞大小.質(zhì)點(diǎn)種類及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，當(dāng)x射線被晶體衍射時(shí)，每一種結(jié)晶物質(zhì)都有自己獨(dú)特的衍射花樣，它們的特征可以用各個(gè)衍射晶面間距d和衍射線的相對(duì)強(qiáng)度I/I0來表征。其中晶面間距d與晶胞的形狀和大小有關(guān)，相對(duì)強(qiáng)度則與質(zhì)點(diǎn)的種類及其在晶胞中的位置有關(guān)。所以任何一種結(jié)晶物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)d和I/I0是其晶體結(jié)構(gòu)的必然反映，因而可以根據(jù)它們來鑒別結(jié)晶物質(zhì)的物相。

非晶態(tài)的物質(zhì)(或結(jié)晶度很低的物質(zhì))在已知波長(zhǎng)X射線的輻射下，同樣可以產(chǎn)生衍射，但得到的衍射曲線為一個(gè)或幾個(gè)很寬的衍射峰。

2.實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇 a.陽極靶的選擇

選擇陽極靶的基本要求：盡可能避免靶材產(chǎn)生的特征X射線激發(fā)樣品的熒光輻射，以降低衍射花樣的背底，使圖樣清晰。

必須根據(jù)試樣所含元素的種類來選擇最適宜的特征X射線波長(zhǎng)(靶)．當(dāng)X射線的波長(zhǎng)稍短于試樣成分元素的吸收限時(shí)，試樣強(qiáng)烈地吸收X射線，并激發(fā)產(chǎn)生成分元素的熒光X射線，背底增高。其結(jié)果是峰背比(信噪比)P／B低(P為峰強(qiáng)度，B為背底強(qiáng)度)，衍射圖譜難以分清。

X射線衍射所能測(cè)定的d值范圍，取決于所使用的特征X射線的波長(zhǎng)。X射線衍射所需測(cè)定的d值范圍大都在10埃至1埃之間。為了使這一范圍內(nèi)的衍射峰易于分離而被檢測(cè)，需要選擇合適波長(zhǎng)的特征X射線。一般測(cè)試使用銅靶，但因X射線的波長(zhǎng)與試樣的吸收有關(guān)，可根據(jù)試樣物質(zhì)的種類分別選用Co、Fe或C靶。此外還可選用鉬靶，這是由于鉬靶的特征X射線波長(zhǎng)較短，穿透能力強(qiáng)，如果希望在低角處得到高指數(shù)晶面衍射峰，或?yàn)榱藴p少吸收的影響等，均可選用鉬靶。

b.管電壓和管電流的選擇

工作電壓設(shè)定為3 ～ 5倍的靶材臨界激發(fā)電壓。選擇管電流時(shí)功率不能超過X射線管額定功率，較低的管電流可以延長(zhǎng)X射線管的壽命。

X射線管經(jīng)常使用的負(fù)荷(管壓和管流的乘積)選為最大允許負(fù)荷的80％左右。但是，當(dāng)管壓超過激發(fā)電壓5倍以上時(shí)，強(qiáng)度的增加率將下降．所以，在相同負(fù)荷下產(chǎn)生X射線時(shí)，在管壓為激發(fā)電壓的約5倍以內(nèi)時(shí)要優(yōu)先考慮管壓，在更高的管壓下其負(fù)荷可用管流來調(diào)節(jié)．靶元素的原子序數(shù)越大，激發(fā)電壓就越高。由于連續(xù)X射線的強(qiáng)度與管壓的平方呈正比，特征X射線與連續(xù)X射線的強(qiáng)度之比，隨著管壓的增加接近一個(gè)常數(shù)，當(dāng)管壓超過激發(fā)電壓的4～5倍時(shí)反而變小，所以，管壓過高，信噪比P/B將降低，這是不可取得的。

c.發(fā)散狹縫的選擇(DS)

發(fā)散狹縫(DS)決定了X射線水平方向的發(fā)散角，限制試樣被X射線照射的面積。如果使用較寬的發(fā)射狹縫，X射線強(qiáng)度增加，但在低角處入射X射線超出試樣范圍，照射到邊上的試樣架，出現(xiàn)試樣架物質(zhì)的衍射峰或漫散峰，對(duì)定量相分析帶來不利的影響。因此有必要按測(cè)定目的選擇合適的發(fā)散狹縫寬度。生產(chǎn)廠家提供1/6°、1/2°、1°、2°、4°的發(fā)散狹縫，通常定性物相分析選用1°發(fā)散狹縫，當(dāng)?shù)徒嵌妊苌涮貏e重要時(shí)，可以選用1/2°（或1/6°）發(fā)散狹縫。

d.防散射狹縫的選擇（SS）

防散射狹縫用來防止空氣等物資引起的散射X射線進(jìn)入探測(cè)器，選用SS與DS角度相同。

e.接收狹縫的選擇（RS）

生產(chǎn)廠家提供0.15mm、0.3mm、0.6mm的接收狹縫，接收狹縫的大小影響衍射線的分辨率。接收狹縫越小，分辨率越高，衍射強(qiáng)度越低。通常物相定性分析時(shí)使用0.3mm的接收狹縫，精確測(cè)定可使用0.15mm的接收狹縫。

f.濾波片的選擇

Z濾 < Z靶－(1～2): Z靶 < 40, Z濾= Z靶－1, Z靶 > 40, Z濾= Z靶－2

g.掃描范圍的確定

不同的測(cè)定目的，其掃描范圍也不同．當(dāng)選用Cu靶進(jìn)行無機(jī)化合物的相分析時(shí)，掃描范圍一般為90°～2°（2θ）；對(duì)于高分子，有機(jī)化合物的相分析，其掃描范圍一般為60 ～2°；在定量分析點(diǎn)陣參數(shù)測(cè)定時(shí)，一般只對(duì)欲測(cè)衍射峰掃描幾度。

h.掃描速度的確定

常規(guī)物相定性分析常采用每分鐘2°或4°的掃描速度，在進(jìn)行點(diǎn)陣參數(shù)測(cè)定，微量分析或物相定量分析時(shí)，常采用每分鐘1/2°或1/4°的掃描速度。

操作步驟：

1.開啟墻壁上的主電源開關(guān)。

2.按下儀器面板上的“綠色”power按鈕，接通儀器電源。

3.檢查水循環(huán)系統(tǒng)開關(guān)是否在“啟動(dòng)”或“運(yùn)行”位置，是否正常運(yùn)行。4.開啟控制電腦。

5.按要求制備樣品，粉末和薄膜表面要求與樣品板表面保持同一平面。安裝樣品，如果有粉末樣品灑落，一定注意及時(shí)清掃。

6.啟動(dòng)儀器控制系統(tǒng)軟件，設(shè)定參數(shù)，電壓和電流一般設(shè)定為40 kV，25 mA(如果增加功率,須經(jīng)儀器負(fù)責(zé)人允許,但最大不要超過40 kV，40 mA!)，開始掃描。7.所有樣品掃描結(jié)束，退出控制程序系統(tǒng)時(shí)，一定關(guān)閉高壓。8.按下機(jī)器面板上的“紅色”power按鈕，將機(jī)器關(guān)閉。9.關(guān)閉墻壁上的主電源開關(guān)。

思考題：

1.查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解根據(jù)XRD圖計(jì)算樣品顆粒大小公式的使用條件。2.X射線衍射分析可以用來解決哪些實(shí)際問題？ 3.如何選擇X射線管及管電壓和管電流？ 4.粉末樣品制備有幾種方法，應(yīng)注意什么問題？ 5.X射線譜圖鑒定分析應(yīng)注意什么問題？